Takeshi Koike nació en 1968 en Kaminoyama, en la prefectura de Yamagata. Su interés por la animación surgió después de ver en el cine la película resumen de Galaxy Express 999, y puede que por eso su mayor influencia como animador sea Yoshinori Kanada, otro gran nombre en la industria. Al terminar el instituto fue directo a Tokio para buscar trabajo y consiguió una entrevista en el estudio Madhouse, donde pudo empezar como intercalador en películas como Chironup no Kitsune (1987) o Wicked City (1987). Curiosamente, su entrevistador terminaría jugando un papel muy importante en su formación como profesional: Yoshiaki Kawajiri le acogió como pupilo y le enseñó cómo funcionaba el oficio, convirtiéndose poco a poco en una figura esencial en el desarrollo de su carrera.
Así pues, Koike pasó un tiempo como comprobador de algunos de los proyectos de su mentor, para luego pasar al frente realizando cuadros clave. Entre los títulos más destacables de esta época se encuentran algunos como Goku: Midnight Eye (1989), Yawara! (1989), El viento de amnesia (1990) o Doomed Megalopolis (1991). Pronto llegarían otros de gran relevancia, como la película Ninja Scroll (1993) o X (1996), así como la adaptación del manga Card Captor Sakura (1998) y sus posteriores largometrajes. El currículo se completa con Blood: The Last Vampire (2000), Vampire Hunter D: Bloodlust (2000), The Animatrix (2003), Dead Leaves (2004) y Trigun: Badlands Rumble (2010), aunque en realidad, son pocos los trabajos en los que de verdad destaca su talento hasta el cambio de milenio.
Su primera oportunidad como director llegó en el año 2000 con el film de acción real Party 7, para el que dirigió la secuencia animada de introducción. Koike tendría la oportunidad de hacer otras pequeñas aportaciones de este tipo, siendo las más memorables las OVAs Trava: Fist Planet (2003), en las que recibiría un completo control creativo; sin embargo, su verdadera obra maestra llegaría unos años más tarde: Redline (2009) tardó siete años en fraguarse, pero la espera valió la pena. La película es un auténtico espectáculo audiovisual y, en cierto modo, ha definido el estilo tan característico que aporta ahora a todas sus producciones, con un gran énfasis en los sombreados y en los trazos gruesos. Respecto a esto último, no hay mejor muestra que sus últimos trabajos como diseñador de personajes, tanto en la serie Lupin III: Mine Fujiko to Iu Onna como en la película Lupin III: Daisuke Jigen no Bohyō, en la que también ha sido director.